LE RECHARGEMENT DUR (COMPLET)

Généralité

Généralement, les procédés de soudage sont utilisés pour effectuer des opérations d’assemblage de métaux. Cependant, ils peuvent être utilisés dans une optique très différente. En effet, au lieu de vouloir joindre deux pièces métalliques, il est possible, avec les techniques usuelles de soudage à l’arc ou à la flamme, de recouvrir une pièce avec un alliage différent de celui dont est constitué le métal de base. Cette façon de procéder, généralement appelée le rechargement, permet d’améliorer la résistance à la dégradation de nature chimique ou mécanique. Le rebâtissage, quant à lui, est une opération différente puisqu’elle n’a comme objectif que la reconstitution des formes dimensionnelles d’une pièce. Les alliages utilisés pour le rebâtissage n’augmentent pas significativement la durée de vie des pièces soumises à des conditions d’usure.

Lorsqu’une pièce en acier est soumise à des conditions d’usure par corrosion ou par oxydation, il faut normalement utiliser des alliages de rechargement plus nobles (plus résistants) comme les aciers inoxydables ou les alliages de nickel pour en revêtir la surface. Par contre, lorsque le mécanisme de dégradation est principalement de nature mécanique, il faut utiliser des alliages de rechargement avec une dureté supérieure à celle du métal de base pour améliorer la résistance à l’usure de la pièce. L’appellation rechargement dur est utilisée pour définir l’opération consistant à déposer par soudage un revêtement dur pour résister à l’usure mécanique d’une pièce.

Il existe plusieurs familles d’alliages utilisés pour le rechargement dur et le choix du métal d’apport à utiliser pour recharger une pièce dépend des conditions d’usure dans lesquelles travaille celle-ci. Pour faire un choix judicieux, il faut être en mesure de reconnaître les causes de la dégradation. Les principaux mécanismes d’usure mécanique rencontrés en industrie sont présentés au tableau rechargement 1. Il est à noter que la dégradation d’une pièce est souvent due à l’action combinée de plusieurs mécanismes. De plus, la dégradation de nature chimique (oxydation et corrosion) s’ajoute souvent à celle de nature mécanique, ce qui accélère dramatiquement l’endommagement d’une pièce.

Tableau rechargement 1 : Mécanismes d’usure

Modes de dégradation

Abrasion

L’usure par abrasion se définit comme l’endommagement d’une surface causé par le mouvement de particules ou de protubérances dures en contact avec celle-ci. C’est le niveau de pression exercée par les particules ou les protubérences sur la surface qui permet de classifier l’abrasion à faible ou à forte charge. L’usure causée par l’action d’un agent abrasif qui glisse sur une surface sera généralement plus importante si ce dernier est plus dur que la surface sur laquelle il glisse. Par ailleurs, la forme et la taille de l’abrasif ont aussi un effet sur la sévérité de l’usure par abrasion.

Dans le domaine de l’usure, le terme abrasion est souvent galvaudé en l’utilisant pour identifier tous les phénomènes d’usure mécanique. Bien que cela soit faux, il est cependant vrai que l’abrasion peut intervenir dans les autres mécanismes d’usure. Par exemple, l’usure par adhésion ou par frottement peut se transformer en usure par abrasion à trois corps lorsque les débris de frottement restent emprisonnés entre les surfaces en glissement. L’usure par abrasion à trois corps est classifiée comme une abrasion sous forte charge. L’usure par impact peut aussi faire intervenir des mécanismes d’abrasion. Ce phénomène s’appelle le gougeage. Ce type d’abrasion sous forte charge est souvent illustré par l’endommagement que cause une grosse roche sur le godet d’une pelle mécanique. Lorsque la pelle soulève la roche et que cette dernière glisse au fond du godet, le poids élevé de la roche fait subir des impacts importants à la surface du godet. De plus, ces impacts roche-godet génèrent de l’abrasion car les arêtes de la roche viennent labourer la surface, ce qui laisse de larges rainures sur celle-ci. La figure rechargement 1 illustre les principaux types d’abrasion rencontrés dans les applications industrielles.

Érosion

L’usure par érosion est causée par l’impact d’un fluide en écoulement sur une surface. Le fluide peut être gazeux ou liquide et l’importance de l’usure augmente avec la présence de particules solides en suspension dans le fluide. Selon la nature du fluide, les phénomènes d’érosion peuvent être subdivisés en deux familles : l’érosion sèche et l’érosion humide. L’érosion est dite sèche lorsque les particules érosives sont mises en mouvement par un gaz et l’érosion est dite humide lorsqu’elle est causée par l’impact d’un liquide ou d’une pulpe (mélange de liquide et de particules) sur une surface. Pour ces deux types d’érosion, la nature chimique du gaz ou du liquide peut amplifier fortement l’usure par l’action synergique de la corrosion ou de l’oxydation si la température est suffisamment élevée.

Il est utile de savoir que les mécanismes d’usure par érosion diffèrent beaucoup selon l’angle d’impact des particules (voir figure rechargement 2). Lorsque l’impact se fait à angle rasant, l’usure progresse par microcoupage et arrachement alors que lorsque l’impact se fait à angle d’incidence plus élevé, l’usure progresse davantage par fatigue, c’est-à-dire par la propagation de fissures sous la surface d’impact. Pour résister à l’érosion à fort angle d’impact, il est préférable de choisir un matériau tenace alors que pour résister à l’érosion à faible angle d’incidence, nous utilisons des matériaux très durs.

L’érosion sèche et l’abrasion sont deux phénomènes qui sont souvent confondus. Pour différencier les deux phénomènes, il faut savoir que la sévérité de l’usure par érosion sèche dépend de l’énergie cinétique des particules érosives. La masse et la vitesse des particules sont donc les facteurs principaux à considérer pour ce type d’usure. En abrasion, la vitesse des particules étant normalement faible, le niveau d’endommagement dépend plutôt de la charge appliquée sur les particules. En abrasion comme en érosion, la taille, la forme et la dureté des particules sont des facteurs qui ont un effet important sur le taux d’usure.

La cavitation est un phénomène d’érosion particulier qui a des similarités avec l’érosion par impact de gouttelettes. Lorsqu’un liquide turbulent circule dans une conduite, les différences de pression dans le liquide amènent la formation de bulles instables qui ont tendance à imploser (« exploser vers l’intérieur ») sur la paroi de la conduite. L’implosion de la bulle se traduit par un mouvement du liquide pour venir combler le volume de la goutte, ce qui génère une contrainte locale de compression très élevée. Cette contrainte est suffisante pour déformer plastiquement le métal et déloger une couche de matériau en surface.

Usure par adhésion

L’usure par adhésion décrit le phénomène d’endommagement de deux surfaces glissant l’une sur l’autre. Même lorsque le fini des deux surfaces nous apparaît lisse, il est en fait constitué de plusieurs aspérités microscopiques, et lorsque ces dernières sont mises en contact, la pression peut localement augmenter suffisamment pour dépasser la limite élastique de l’alliage. Dans ce cas, il y a déformation plastique des aspérités jusqu’à ce que la surface de contact devienne assez grande pour supporter la charge. Lorsque les aspérités entrent en contact et se déforment, il peut se produire un phénomène de soudage à froid des jonctions d’aspérités (voir figure rechargement 3). La rupture de ces ponts entre les aspérités entraîne un endommagement qui sera plus prononcé si les alliages en contact sont très ductiles, car, pour ces matériaux, les aspérités tendent à se déformer plus facilement, ce qui augmente les contacts intimes entre elles et favorise ainsi les risques de soudage à froid puis la rupture.

Lorsque deux surfaces frottent l’une sur l’autre sans lubrification, la chaleur générée aux jonctions d’aspérités entraîne souvent l’oxydation de la surface de contact. Le film d’oxyde ainsi formé peut jouer un rôle très différent selon la nature de l’oxyde. En effet, la rupture de ce film génère des débris qui peuvent agir comme lubrifiant ou comme abrasif selon les caractéristiques de l’oxyde formé. Lorsque l’oxyde est dur et qu’il reste emprisonné entre les deux surfaces en contact, le phénomène d’usure par adhésion se transforme plutôt en usure par abrasion à trois corps où les débris d’oxyde agissent comme un abrasif.

La sévérité du phénomène d’usure par adhésion dépend principalement de la force de contact entre les surfaces en mouvement. Il n’y a pas de lien direct entre le coefficient de frottement d’un alliage et le taux d’usure des surfaces. En effet, deux matériaux ayant une bonne résistance à l’usure lorsqu’en contact avec eux-mêmes peuvent avoir une résistance à l’usure inférieure lorsqu’ils sont en contact l’un avec l’autre et à l’inverse est possible, deux matériaux avec une faible résistance par rapport à eux-mêmes peuvent avoir une résistance supérieure lorsqu’en contact l’un avec l’autre.

Il est possible de subdiviser la famille des phénomènes d’usure par adhésion en diverses sous-classes. Il y a par exemple, l’éraillure (« galling ») qui est un mode d’usure par adhésion où des rainures macroscopiques peuvent être observées sur les surfaces en frottement. Ces rainures se forment quand la charge qui s’exerce sur les aspérités de surface est très élevée. Cela entraîne une déformation plastique importante des surfaces qui prend la forme de rainures orientées parallèlement à la direction du mouvement de glissement des surfaces. Lorsque le phénomène d’éraillure s’aggrave, la surface de contact et la charge appliquée localement deviennent inadéquates pour permettre le glissement. Il y a alors un collage des deux surfaces ou le grippage.

Pour résister à l’usure par adhésion il faut généralement que les matériaux soient durs en surface ou aptes au durcissement par écrouissage. De même, il faut opter pour des matériaux qui ne présentent pas de grande compatibilité chimique les uns avec les autres.

Usure par fatigue

Les phénomènes d’usure par fatigue se retrouvent souvent dans les engrenages et les roulements à bille. Le fonctionnement de ces dispositifs mécaniques génère des contraintes cycliques de compression qui sont propices à l’initiation de fissures. Les fissures peuvent s’initier à la surface ou dans des discontinuités sous la surface (pores, inclusions, phases dures, etc.) et provoquer l’arrachement de particule en surface (voir figure rechargement 4).

L’usure par impact est un mode d’usure qui peut être classé comme de l’usure par fatigue. Cependant, contrairement à l’usure par fatigue classique, les contraintes de compression appliquées sur la pièce sont souvent supérieures à la limite élastique de celle-ci. Cela veut dire que chaque impact génère une déformation plastique qui endommage la surface. La répétition de ces impacts favorise la propagation de fissures près de la surface et la formation d’un réseau de fissures de fatigue qui peut provoquer l’arrachement de larges blocs de matériau (« spalling »). Pour prévenir ce mode d’usure catastrophique pour les revêtements soudés, une sous-couche ductile s’avère très efficace car elle permet d’arrêter la propagation des fissures vers le métal de base et elle améliore la ténacité de l’interface entre le dépôt soudé et le métal de base.

Familles d’alliages de rechargement dur

Il existe plusieurs familles d’alliages de rechargement dur qui ont chacune des propriétés différentes et un champ d’applications propre. La liste suivante classe les alliages de rechargement en fonction de leur composition et de la nature des phases présentes.

I-Aciers:

aciers bainitiques
aciers martensitiques
aciers inoxydables martensitiques
aciers martensitiques de type aciers à outils aciers austénitiques au manganèse
aciers austénitiques au chrome-manganèse aciers inoxydables austénitiques
aciers fortement alliés pour le soudage des aciers difficilement soudables

II-Fontes riches en chrome :

fontes austénitiques hypoeutectiques riches en chrome (C <=3,5%environ) fontes austénitiques hypereutectiques riches en chrome(C >= 3,5%environ)
alliages complexes

III-Alliages à base de nickel

IV-Alliages à base de cobalt

V-Alliages à base de cuivre

VI-Alliages renfermant des carbures de tungstène dans différentes matrices

Propriétés et utilisations typiques des alliages de rechargement

I-Acier

Aciers bainitiques

(Électrodes Sodel 320, 323 et Fils Sodel 9320, 9322, 9323, Mig/Tig 3322)

Les alliages bainitiques sont utilisés parce qu’ils ont une excellente résistance à l’impact. Ils absorbent bien les chocs en se déformant de façon élastique et plastique. Ils sont très facilement soudables et présentent un très faible risque de fissuration. Ces alliages ne sont généralement pas utilisés pour résister à l’usure, mais plutôt pour rebâtir ou pour faire une sous-couche avant le rechargement de surface avec un alliage ayant une meilleure résistance à l’usure. Ils sont aussi utilisés dans des applications où il y a de l’usure métal sur métal et où il est préférable de ne pas user la pièce opposée. Ces métaux d’apport peuvent être appliqués en dépôts multi-couches très épais.

Aciers martensitiques

(Électrodes Sodel 20, Sodel 22, Sodel 221 et Fils Sodel 8220, 8221P, MIG 5221)

Les alliages martensitiques résistent très bien aux chocs et au frottement métal-métal. Ces alliages offrent un bon compromis entre la dureté et la ténacité. Ils sont utilisés principalement pour combattre l’usure métal sur métal et la fatigue mécanique des pièces sollicitées dynamiquement. Certains de ces métaux d’apport contiennent suffisamment de chrome et de carbone pour permettre la formation de carbures, ce qui améliore leur résistance à l’abrasion. Ils peuvent aussi être appliqués en dépôts multi-couches, mais nécessitent généralement une préchauffe du métal de base.

Aciers inoxydables martensitiques

(Électrodes Sodel 410NiMo et Fils Sodel 8440, 8441, 8445, MIG/TIG 5440, MIG/TIG 5445)

Dans certaines applications, les aciers martensitiques conventionnels peuvent faillir à la tâche si la température est élevée et le milieu ambiant quelque peu corrosif. Les aciers inoxydables martensitiques possèdent un contenu en chrome plus élevé, ce qui leur confère une résistance à l’oxydation adaptée à un usage à plus haute température et une bonne résistance à la corrosion en vertu de la couche d’oxyde passive qui se forme à la surface de ces alliages. Tout comme les aciers martensitiques conventionnels, les aciers inoxydables martensitiques possèdent une très bonne résistance aux chocs et au frottement métal-métal. Ces alliages conservent aussi une bonne dureté à chaud et ils sont aussi très résistants aux chocs thermiques. De plus, ils peuvent aussi être appliqués en dépôts multi-couches, mais nécessitent généralement une préchauffe du métal de base.

Aciers martensitiques de type aciers à outils

(Électrodes Sodel 242, Sodel 243, Sodel 245 et Fils Sodel 8223, 8225, 8241P, 8411)

Ces alliages de rechargement donnent des dépôts de structure martensitique qui contiennent des éléments favorisant la formation de carbures très durs. Les ajouts les plus courants sont le vanadium, le molybdène, le tungstène et le niobium. La présence de ces carbures améliore beaucoup la dureté à chaud et la résistance à l’abrasion des dépôts. Ce type d’alliage convient donc pour les applications d’usure métal sur métal où la température est élevée, mais inférieure à 600°C (1100°F). Lorsque le niveau de carbone présent dans l’alliage est élevé, les dépôts soudés offrent une résistance à l’abrasion très bonne et lorsque le carbone est plus bas, la ténacité est meilleure, ce qui donne une meilleure résistance aux impacts et à la fatigue. Par ailleurs, ces alliages peuvent être appliqués en dépôts multi-couches, mais nécessitent généralement une préchauffe du métal de base.

Aciers austénitiques au manganèse

(Électrodes Sodel 324, Sodel 326 et Fils Sodel 9240, 9245)

Les aciers contenant 12 à 14% de manganèse se caractérisent par une augmentation de leur dureté lorsqu’ils sont déformés à froid, ce qui leur confère une excellente résistance aux impacts violents. Par ailleurs, ils ont une résistance modérée à l’abrasion, mais l’augmentation de leur dureté améliore leur résistance à l’abrasion. Les aciers au manganèse sont beaucoup utilisés pour les pièces subissant des chocs violents.
Les aciers austénitiques au manganèse doivent toujours être soudés sans préchauffage et en maintenant la température d’interpasse en-dessous de 200°C (400°F) pour éliminer les risques de fragilisation par la formation de carbures en bordure des grains dans la zone affectée thermiquement. En respectant ces consignes, il est possible de déposer plusieurs couches de ce type d’alliage.

Aciers austénitiques au chrome – manganèse

(Électrodes Sodel 325 et Fils Sodel 9250, 9280)

Ces aciers au manganèse enrichis avec beaucoup de chrome présentent une plus grande stabilité microstructurale. Même avec une dilution importante avec l’acier au carbone, ces aciers conservent leur structure austénitique. Ces alliages peuvent donc servir à joindre les aciers au manganèse entre eux ou avec des aciers au carbone. De plus, ces métaux d’apport sont d’excellentes sous-couches pour les alliages de rechargement plus durs car ils minimisent l’appauvrissement en carbone et en chrome de l’alliage de surface. Ils ont une résistance modérée à l’abrasion et ils ont aussi la propriété de se durcir superficiellement très rapidement après des chocs répétés, ce qui leur confére une résistance à l’impact supérieure.

Bien que leur microstructure soit plus stable que celle des aciers au manganèse réguliers, ils ne doivent pas être exposés à des températures supérieures à 260°C (500°F) pour éviter la précipitation fragilisante de carbures.

Aciers inoxydables austénitiques

(Électrodes Sodel 130, 131 et Fils Sodel 3080, Sodel 3090, Sodel 3160)

Ces alliages, comme leur nom l’indique, sont très résistants à l’oxydation et à la corrosion. Leur bonne résistance à la corrosion s’explique par la formation d’une couche d’oxyde passive très adhérente. Ils n’ont cependant qu’une très faible résistance à l’abrasion. Les aciers inoxydables austénitiques sont aussi très ductiles et tenaces, ce qui leur confère une bonne résistance à l’érosionà fort angle d’impact en particulier à haute température. Ces alliages peuvent aussi se durcir à l’écrouissage, ce qui leur permet de résister très bien à la cavitation. L’application de plusieurs couches de ce type d’alliages ne présente pas de problème.

Aciers fortement alliés pour le soudage des aciers difficilement soudables

(Électrodes Sodel 333, Sodel 335, Sodel 336, Sodel 337 et Fils Sodel 3330FCG, 3333FCG, 3336FCG, 3337FCG)

Ces alliages sont fortement alliés avec du chrome, du manganèse, du molybdène ou du nickel pour permettre le soudage des aciers difficilement soudables. Ils ont une faible résistance à l’abrasion mais peuvent se durcir à l’impact ou sous de fortes pressions et possèdent donc une excellente résistance à l’impact. Ces métaux d’apport sont principalement utilisés comme sous-couche sur les aciers alliés et sur les aciers durcis par traitement thermique de trempe. Ces alliages conviennent très bien pour faire des dépôts multi-couches.

II- Fontes riches en chrome

Alliages hypoeutectiques

(Électrodes Sodel 2024Plus, Sodel 2033, Sodel 2210 et Fils Sodel 8210, 8230P)

Les niveaux de chrome et de carbone sont ajustés pour que ces alliages se solidifient avec des dendrites primaires d’austénite riche en carbone entourées d’une structure lamellaire (eutectique) d’austénite et de carbures de chrome. Ce type de microstructure confère à ces alliages une dureté élevée, une excellente résistance à l’abrasion et une bonne résistance à l’impact.

Alliages hypereutectiques

(Électrodes Sodel 2027, 2042 et Fil Sodel 8240Plus)

Le niveau de carbone étant très élevé dans ces alliages, des carbures de chrome primaires se solidifient dans un eutectique renfermant des lamelles alternées d’austénite et de carbures de chrome. Ces alliages possèdent une dureté très élevée et une résistance supérieure à l’abrasion. Cette grande résistance à l’abrasion résulte de la présence des carbures primaires. Pour obtenir ces carbures, il faut au moins 4% de carbone et généralement plus de 16% de chrome. La résistance à l’impact de ce type de matériaux est modérée puisqu’ils contiennent un volume élevé de phases dures qui abaissent leur ductilité. De plus, la présence de nombreuses fissures de retrait dans ces matériaux impose normalement l’utilisation d’une sous-couche ductile pour prévenir l’arrachement des dépôts soudés.

Alliages complexes

(Électrodes Sodel 2023, Sodel 2045 et Fils Sodel 8215, 8228, 8245Plus, 8246, 8268)

Ces alliages sont similaires à ceux des deux classes précédentes à la différence qu’ils contiennent, en plus du carbone et du chrome, des ajouts de certains éléments qui forment des phases dures et complexes de dureté supérieure aux carbures de chrome. Les éléments fréquemment utilisés sont le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium ou le titane. Les phases dures et complexes formées à partir de ces éléments améliorent la résistance à l’abrasion et à l’érosion des alliages de fontes au chrome traditionnels. De plus, ces phases dures conservent leur dureté à plus haute température, ce qui permet d’étendre la température d’utilisation de ces alliages jusqu’à 650°C (1200°F). Les fontes au chrome alliées sont utilisées pour leur excellente résistance à l’abrasion très sévère, aux abrasifs fins et à l’érosion. Cependant, ces alliages tolèrent peu les impacts et nécessitent généralement la déposition d’un coussin ductile pour éviter la rupture en blocs du revêtement soudé qui forme des fissures de retrait lors du refroidissement du cordon.

III- Alliages à base de nickel

(Baguette Sodel 59G ; Électrode Sodel 3580 et Fil Sodel Mig/Tig 3580)

Lorsqu’une pièce est soumise à des conditions d’usure à haute température ou dans un milieu propice à la corrosion ou à l’oxydation, il peut s’avérer avantageux de remplacer les alliages de rechargement dur à base de fer avec des alliages à base de nickel. Les alliages de type nickel-chrome-silicium-bore (Sodel 59G) sont les plus utilisés pour le rechargement dur. Ils possèdent une très bonne résistance à l’oxydation (T < 850°C (1550°F) et une bonne résistance à la corrosion en milieu salin, mais ont par contre une faible résistance à l’impact. Ces alliages de type nickel-chrome-silicium-bore possèdent deux caractéristiques distinctives : ils fusionnent à une basse température (~1000°C (1850°F)) et ils sont autodécapants car ils ont la propriété de s’auto-protéger d’une fine couche de borosilicate qui agit comme décapant lors de leur fusion. Ces caractéristiques permettent une déposition facile de ces alliages au chalumeau. Ce type de matériau présente une bonne résistance à l’usure puisqu’il contient plusieurs phases dures telles que des carbures et des borures de chrome ou de nickel ainsi que certaines phases intermétalliques à base de silicium. La déposition par soudage de ce type d’alliage est susceptible à la formation de fissures de retrait.

Les alliages de type nickel-chrome-molybdène (Sodel 3580) sont durcis par solution solide et peuvent aussi être utilisés pour le rechargement dur. Un dépôt de cette composition est très tenace et se durcit à l’écrouissage, il peut donc être utilisé pour résister aux impacts et à l’érosion (à fort angle d’impact) lorsque la pièce doit résister également à des conditions de chaleur, d’oxydation ou de corrosion.

IV- Alliages à base de cobalt

(Électrodes/Baguettes Sodel 1P/1G, 6P/6G, 12P/12G, 21P/21G et Fils Sodel 1FCG, 6FCG)

Ces alliages sont constitués d’une matrice de cobalt-chrome-tungstène dans laquelle se retrouvent des carbures complexes. Ce mélange de microconstituants leur permet de résister à l’éraillure, à l’impact, à la corrosion, à l’oxydation, à l’écaillage, à l’érosion, à la cavitation, aux chocs thermiques et modérément à l’abrasion. De plus, ils conservent leurs propriétés jusqu’à des températures pouvant atteindre 1100ºC (2000ºF) en utilisation non continue. Leur niveau de résistance à l’usure varie de bonne à excellente selon la propriété et selon l’alliage. L’alliage 6 est le plus populaire parce qu’il offre une très bonne résistance à l’usure, à l’oxydation et à la corrosion tout en étant usinable. La déposition de tels alliages nécessite généralement une préchauffe et une sous-couche ductile compatible (Sodel 333, Sodel 3500, Sodel 3580) pour éviter l’arrachement des dépôts soudés.

V- Alliages à base de cuivre

(Baguettes Sodel 47FC, Sodel 660FC ; Électrodes Sodel 661, Sodel 664 et Fils Sodel Mig/Tig 6061, Mig/Tig 6062, Mig/Tig 6064, Mig/Tig 6065, Mig/Tig 6066, Mig/Tig 6068, Tig 6069, Mig/Tig 6070)

Le cuivre seul possède une dureté très faible, mais lorsqu’il est allié avec d’autres métaux comme l’aluminium, le silicium, le fer, le nickel ou l’étain, un durcissement structural important se produit. Ce durcissement est dû à la formation d’une solution solide et/ou à la précipitation de phases dures selon les alliages. Certains alliages de cuivre comme les bronzes alliés avec de l’aluminium se durcissent aussi par écrouissage. Ces derniers sont très utilisés pour leur excellente résistance à l’usure par frottement métal sur métal surtout quand le glissement se fait sur un alliage de même composition. Certains grades de ce type de bronze possèdent également une très bonne résistance à la corrosion en eau salée. Ces alliages ont cependant une résistance à l’abrasion très faible et des propriétés mécaniques très affaiblies lorsque la température excède 200°C (390°F). Les bronzes à base d’étain sont aussi utilisés pour des applications où il y a du frottement métal-métal comme les portées de roulement. Ce type de bronze est choisi lorsqu’un alliage de faible dureté est requis pour éviter une usure importante de la pièce opposée.

VI- Alliages renfermant des carbures de tungstène

(Baguettes Sodel 227, 228, 529, 2000 ; Électrodes Sodel 226, 229, 2059 et Fils Sodel 8229, 8259)

Divers types de matrice peuvent être utilisées pour supporter les carbures de tungstène. Dans les alliages soudables, ce sont des matrices à base de cuivre, de nickel ou d’acier qui sont les plus utilisées. En projection thermique, les matrices de cobalt ou de cobalt-chrome sont très populaires puisqu’elles donnent des revêtements avec une résistance à l’abrasion supérieure.

En plus de la nature de la matrice, d’autres aspects différencient les différents alliages de rechargement à base de carbures de tungstène. Il y a premièrement la taille des carbures, leur forme et également le type de carbures. Il existe sur le marché des carbures de type macrocristallin (WC) et d’autres de type eutectique (WC/W2C). Les premiers sont plus tenaces et les seconds plus durs. La procédure de soudage est critique pour la qualité anti-usure des dépôts de ce type d’alliages.

Pour obtenir des revêtements soudés contenant le volume le plus élevé possible de carbures, il est important de minimiser la surchauffe du bain de fusion, car cette dernière favorise la formation de porosités et la décomposition des carbures. Lorsque ce dernier phénomène se produit, une fraction du tungstène des carbures décomposés vient réagir avec la matrice et possiblement la durcir par solution solide alors que l’excédant précipite sous forme de carbures ou borures complexes selon le type de matrice. Ces phases ne sont pas aussi résistantes à l’usure que les carbures de tungstène et de plus, elles fragilisent le dépôt. Un autre phénomène nuisible associé à une surchauffe du bain de fusion est la ségrégation des carbures au fond du dépôt. En effet, si le bain de fusion reste liquide très longtemps, la masse volumique très élevée des carbures de tungstène favorise une sédimentation de ceux-ci au fond du bain liquide.

Un dépôt soudé contenant un volume suffisant de carbures de tungstène permet d’obtenir une résistance maximale à l’abrasion. De son côté, la nature de la matrice confère au dépôt, sa résistance aux températures élevées, à l’impact, à la corrosion, etc. Par ailleurs, les matrices d’acier sont plus susceptibles de dissoudre les carbures de tungstène lors de la déposition que les matrices à base de cuivre ou de nickel. Pour le choix du produit approprié pour votre application, contacter le Service Technique Sodel.

Il est à noter que pour la déposition des carbures de tungstène, la technique de déposition a un effet important sur la résistance à l’usure des revêtements. L’utilisation d’un chalumeau oxyacétylènique donne des dépôts plus riches en WC puisqu’il y a moins de décomposition des carbures avec cette technique par rapport au soudage à l’arc. Pour obtenir un taux de déposition supérieur à celui du chalumeau, il est possible d’utiliser le soudage MIG avec le Procédé Sodel Tungstomatic qui alimente mécaniquement les carbures dans le bain de fusion. Avec ce procédé, les carbures de tungstène ne sont pas en contact direct avec l’arc électrique, ce qui fait qu’il y a beaucoup moins de dissolution et donc des dépôts très riches en carbures. Avec des paramètres bien ajustés, le soudage FCAW et SMAW d’alliages renfermant des carbures de tungstène donne aussi des résultats de très bonne qualité.

Sélection de l’alliage de rechargement en fonction du mécanisme d’usure

L’usure d’une pièce importante d’un procédé industriel peut entraîner des coûts énormes lorsque des arrêts de production doivent être faits pour réparer ou remplacer la pièce en question. Plusieurs stratégies peuvent être adoptées pour espacer le plus possible ces arrêts de production. Tout d’abord, la conception d’une pièce qui s’use rapidement doit être repensée car, souvent, des changements simples à sa géométrie diminuent drastiquement la vitesse de progression de l’usure. De plus, effectuer un entretien préventif des pièces peut prolonger significativement la durée de vie de celles-ci. Finalement, l’utilisation éclairée d’alliages de rechargement dur s’avère généralement très efficace pour diminuer le taux d’usure d’une pièce.

Le principal facteur qui doit être considéré pour la sélection du bon alliage de rechargement dur est le ou les mécanismes d’usure qui dégradent la pièce. Lorsque ces mécanismes sont bien identifiés, ce qui n’est pas toujours facile, il est généralement possible de faire un choix judicieux. Cependant, pour faire un choix optimal, il faut normalement essayer plusieurs alliages et les évaluer en fonction de leur performance réelle, de leur coût et du gain en productivité ou en rentabilité que leur usage donne au procédé. Dans certaines industries, il peut être rentable d’utiliser des alliages de rechargement dur très performants et très coûteux. Dans d’autres industries, l’amélioration de l’efficacité ou de la rentabilité d’un procédé ne sera pas suffisante pour justifier l’utilisation d’alliages très coûteux et il faut alors préférer des alliages économiques ou même l’achat de pièces neuves. La sélection de l’alliage de rechargement dur à utiliser dépend aussi d’autres considérations telles que la composition chimique du métal de base à recharger ou à rebâtir, le procédé de soudage disponible et l’emplacement où doit s’effectuer le soudage. La déposition de dépôts usinables est aussi un autre facteur qu’il faut respecter dans plusieurs applications.

Dans les paragraphes suivants, le lecteur trouvera une liste de suggestions d’alliages de rechargement dur pouvant être utilisés pour résister aux différents mécanismes d’usure définis précédemment.

Nous avons aussi inclus trois tableaux qui présentent les familles d’alliage de rechargement dur regroupées par structure (tableau 4-4), leur résistance qualitative à l’impact, à l’abrasion et aux températures élevées (tableau 4-6) et les duretés approximatives de différents abrasifs et matériaux (tableau 4-5).

Alliages résistant à l’abrasion

Pour résister à un phénomène d’abrasion sous faible charge (ex : particules de minerai glissant sur une chute (figure 4-1)), il faut utiliser généralement des alliages renfermant un contenu élevé de phases dures comme des carbures de chrome, des carbures complexes ou des carbures de tungstène (ex : Sodel 2023, Sodel 2045, Sodel 229, Sodel 8240Plus, Sodel 8245Plus, Sodel 8259, Sodel 8268). Lorsque le volume de carbures est suffisant, la distance entre ceux-ci est plus faible, ce qui empêche les particules abrasives de pénétrer dans l’alliage et d’arracher des copeaux.

Pour les applications d’abrasion sous forte charge comme dans les procédés de broyage (voir figure 4-1), la force appliquée est suffisamment élevée pour rupturer les particules abrasives. Dans cette situation, il ne sera pas nécessairement avantageux d’utiliser un alliage contenant beaucoup de carbures si ceux-ci sont moins durs que l’abrasif. En effet, si la charge est suffisante pour rupturer l’abrasif, elle le sera aussi pour briser ou déchausser les carbures. Il est préférable, dans de telles applications, d’utiliser des alliages qui contiennent moins de phases dures. Celles-ci doivent être fines, plus dures que l’abrasif, réparties uniformément et supportées par une matrice résistante. Les carbures de niobium, vanadium et titane sont généralement les phases dures utilisées pour ces applications. Les aciers martensitiques enrichis en carbures (ex : Sodel 221, Sodel 243, Sodel 8223) et certaines fontes alliées (ex : Sodel 8215, Sodel 8228) répondent bien à l’opération de broyage. Si les chocs sont très violents, il faut s’en tenir aux aciers.

Pour résister à l’abrasion par gougeage qui est une forme d’abrasion s’accompagnant de chocs violents et de déformations (figure 4-1), les aciers au manganèse (ex : Sodel 324, Sodel 325, Sodel 9250) recouverts d’une couche de fonte riche en chrome appliquée selon un patron adapté à l’opération (voir page 4-19) sont très performants. Lorsque les impacts sont violents, il faut choisir des alliages de fonte du type Sodel 2024Plus, Sodel 2210, Sodel 8210 et si les chocs sont modérés, il est possible de déposer des alliages contenant plus de carbures comme les produits de rechargement Sodel 2023, Sodel 2045, 8240Plus et 8245Plus.

Alliages résistant à l’érosion

Les mécanismes de dégradation par érosion à faible angle d’impact sont très semblables à ceux de l’abrasion sous charge faible ou modérée. Normalement, les matériaux qui ont une bonne résistance à l’usure par érosion à faible angle d’impact sont aussi très résistants à l’abrasion sous faible charge. Les alliages riches en phases dures comme les produits de rechargement Sodel 2023, Sodel 2045, Sodel 2059, Sodel 8240Plus, Sodel 8245Plus, Sodel 8259, Sodel 8268 possèdent une excellente résistance à l’érosion sous faible angle d’impact. Lorsque l’angle d’impact des particules augmente, les alliages à base de carbures sont encore très performants si les conditions d’usure ne sont pas trop sévères. Lorsque l’érosif est très dur, grossier ou lorsque la vitesse d’impact est très élevée, le taux d’usure de ces alliages riches en carbures s’accélère fortement. Ceux-ci n’ont pas la ténacité nécessaire pour résister à l’impact direct des particules lorsque les conditions d’usure sont trop sévères. La propagation de fissures à l’interface carbure-matrice va déchausser les carbures. Dans ces conditions, il est préférable d’utiliser des alliages durs et tenaces comme des aciers martensitiques (ex : Sodel 20, Sodel 22, Sodel 221) ou même des alliages moins durs, mais plus tenaces comme des aciers inoxydables (ex : Sodel 130, Sodel 131, Sodel 3090) ou des aciers fortement alliés (ex : Sodel 333, Sodel 337, Sodel 3330FCG) et des alliages de nickel (ex : Sodel 3580) si la température est élevée.

L’oxydation à haute température est un phénomène qui accélère beaucoup l’érosion. Les alliages qui forment une couche d’oxydes dure et adhérente offrent une meilleure résistance à l’érosion à haute température. Dans des conditions d’érosion à une température très élevée (T> 650ºC (1200ºF)) où le niveau d’impact est modéré, les alliages de cobalt (ex : Sodel 1P/1G, 6P/6G) sont normalement très performants. Ils résistent aussi très bien en milieu corrosif. Les alliages de nickel de type nickel-chrome-silicium-bore (ex : Sodel 59G) peuvent aussi être utilisés pour des applications d’érosion-oxydation ou d’érosion-corrosion. Ils performent généralement moins bien que les alliages de cobalt, mais ils sont un peu moins dispendieux.

Pour l’érosion par cavitation, ce sont également les alliages de cobalt (ex : Sodel 1P/1G, Sodel 6P/6G) qui offrent la meilleure résistance. Certains aciers inoxydables (ex : Sodel 130, Sodel 131, Sodel 3080, Sodel 3160), certains aciers au chrome-manganèse (ex : Sodel 325, Sodel 9250) et certains aciers brevetés offrent aussi une très bonne résistance à la cavitation.

Alliages résistant au frottement métal-métal (usure par adhésion)

L’usure métal sur métal se produit lorsque deux pièces de métal se retrouvent à glisser ou à frotter l’une contre l’autre. Le frottement entraîne la rupture des jonctions d’aspérités de surface qui sont mises en contact lors du glissement (figure 4-3). Si les alliages qui constituent les surfaces qui se frottent sont compatibles, les aspérités qui se sont détachées d’une surface peuvent adhérer sur la surface opposée. Ce phénomène accélère généralement l’usure car les surfaces deviennent moins lisses lorsqu’il y a collage des aspérités rupturées. Il faut normalement préconiser, dans les systèmes de glissement métal sur métal, un design qui permet aux débris de s’échapper. En effet, lorsque les débris restent emprisonnés entre les surfaces qui glissent, le système se transforme en abrasion à trois corps sous forte contrainte, ce qui accélère beaucoup l’usure surtout lorsque les débris sont des oxydes très durs.

De façon générale, pour réduire l’usure par adhésion, il faut éviter d’utiliser des alliages qui ont une grande compatibilité chimique car cela favorise le transfert des aspérités rupturées sur une des deux surfaces. Dans cette même optique, l’usage de lubrifiant s’avère souvent un moyen très efficace pour diminuer l’usure. Finalement, il est préfèrable d’utiliser des alliages à haute limite élastique, comme les aciers martensitiques (ex : Sodel 22, Sodel 221, Sodel 8220) et les aciers martensitiques de type aciers à outils (ex : Sodel 243, Sodel 8223) pour les applications de frottement. Par ailleurs, les aciers austénitiques au manganèse (ex : Sodel 325, Sodel 9250) et les aciers inoxydables austénitiques (ex : Sodel 130, Sodel 131, Sodel 3080, Sodel 3160) performent généralement mieux que les aciers inoxydables martensitiques dans les applications de frottement métal-métal, même si ces derniers sont plus durs et possèdent une limite élastique supérieure. La capacité de se durcir par écrouissage et/ou la forte adhérence de leur couche d’oxydes superficielle expliquent en partie leur bonne tenue en frottement métal-métal.

Lorsqu’il y a un risque de grippage, il est possible de déposer sur l’une des surfaces un alliage ayant une dureté inférieure d’au moins 200 Brinell à celle de l’alliage déposé sur l’autre face. Une autre méthode consiste à déposer un alliage ayant un bas coefficient de friction tel qu’un alliage de cuivre (ex : Sodel 660FC), de bronze-aluminium (ex : Sodel 661) ou de bronze à l’étain (ex : Sodel 664). Par ailleurs, ces alliages à base de cuivre possèdent aussi une excellente résistance à l’éraillure lorsqu’ils frottent sur un alliage de même composition. Dans les applications de frottement métal-métal où la pression de contact est élevée, une hausse très importante de la température peut être observée localement près de la surface de contact, si celle-ci n’est pas lubrifiée. Dans ces conditions, ce sont les alliages de cobalt (ex : Sodel 6P/6G) qui performent le mieux contre l’éraillure. En effet, l’excellente dureté à chaud de ces alliages leur confère une excellente résistance au frottement métal-métal à haute température ou sous forte charge. En milieu corrosif, les alliages de cobalt sont aussi très bons ainsi que les alliages de type nickel-chrome-silicium-bore (Sodel 59G).

Dans des applications sévères d’usure métal-métal (force de contact et/ou vitesse de glissement élevées, débris de frottement très abrasifs), les alliages de type fonte au chrome (ex : Sodel 2033, Sodel 8215) peuvent être utilisés. Ces alliages renferment des carbures très durs, qui s’usent très lentement, mais qui peuvent user très rapidement la surface opposée, si celle-ci est molle.

Alliages résistant à la fatigue mécanique

La fatigue mécanique est un mécanisme qui endommage entre autres les roulements à bille et les engrenages. Les alliages qui possèdent des résistances mécaniques élevées, comme les aciers à structure martensitique (ex : Sodel 20, Sodel 22, Sodel 242, Sodel 8440, Sodel 8441) démontrent une excellente endurance à la fatigue. Un post-traitement de carburation ou de nitruration de ces aciers peut améliorer leur endurance. En général, il est préférable de ne pas utiliser des alliages contenant un volume important de carbures pour résister à la fatigue de surface car il se produit une concentration de contraintes à l’interface carbure-matrice, ce qui peut initier des fissures.

Alliages résistant aux impacts mécaniques

La résistance à l’impact ou aux chocs demande au matériau d’être en mesure d’absorber une certaine quantité d’énergie dans un laps de temps très court. Le matériau absorbe l’énergie en se déformant élastiquement et plastiquement ; s’il n’est pas capable de se déformer, il se rupture ou se fissure. Les aciers austénitiques au manganèse (ex : Sodel 324, Sodel 325, Sodel 326, Sodel 9240, Sodel 9250) et, dans une moindre mesure, les aciers fortement alliés (ex : Sodel 336, Sodel 3333FCG) ainsi que les aciers inoxydables austénitiques (ex : Sodel 130, Sodel 131, Sodel 3080, Sodel 3160) sont très résistants aux impacts. La ductilité de ces alliages les rend aptes à se déformer substantiellement avant de rupturer. De plus, ceux-ci ont la capacité de se durcir lors de la déformation. Lorsqu’ils sont soumis à des impacts répétés, il y a formation d’une couche très dure en surface. Cette couche durcie reste supportée par une structure dont la ductilité et la ténacité n’ont pas été altérées, ce qui permet une absorption aisée des chocs. Cette couche de métal écroui se reforme au fur et à mesure qu’elle s’use.

Les aciers à structure bainitique (ex : Sodel 320, Sodel 9322) offrent aussi une très bonne résistance aux chocs car ils ont une limite élastique et une résistance mécanique élevées. Ces aciers ont aussi une bonne ductilité, mais ils ne se durcissent pas par écrouissage comme les aciers à structure austénitique. Parmi les aciers, ce sont les aciers à structure martensitique (ex : Sodel 20, Sodel 221, Sodel 242, Sodel 8411, Sodel 8441) qui possèdent les limites élastiques et les résistances mécaniques les plus élevées. Ces alliages offrent donc une résistance aux impacts excellente dans la mesure où ceux-ci ne sont pas trop violents. En effet, comme la martensite est une phase dure, mais fragile, les aciers martensitiques, et en particulier ceux avec une forte teneur en carbone, sont plus propices à fissurer s’ils sont soumis à des chocs violents.

Sous certaines conditions, les fontes alliées au chrome (ex : Sodel 2024Plus, Sodel 2033, Sodel 8210, Sodel 8215, Sodel 8240Plus), dans lesquelles se forme un réseau de fines craquelures au cours du refroidissement, pourront être utilisées pour résister à des impacts modérés. Ces alliages étant très durs, ils présentent une forte résistance à l’indentation causée par un choc, mais les fissures présentes naturellement dans le dépôt ont tendance à se propager. Ce faisant, le réseau de fissures s’élargit et cela peut provoquer un arrachement en blocs du dépôt. Pour prévenir le phénomène, il est important que ces fontes au chrome reposent sur une sous-couche résistante et tenace (ex : Sodel Sodel 325, Sodel 336, Sodel 3333FCG, Sodel 9250). Cette première couche empêche les fissures du dépôt de fonte au chrome de se propager au-travers du métal de base ou via l’interface métal de base-rechargement dur.

Autres facteurs importants

Dureté

La dureté du métal déposé influencera surtout l’usinabilité du dépôt. Dans certains cas, le dépôt atteint une dureté si élevée que le meulage n’est plus possible avec une meule conventionnelle. Contrairement à la croyance générale, ce n’est pas uniquement la dureté qui détermine le degré de résistance à l’usure d’un alliage de rechargment. La microstructure joue un rôle plus important. Un dépôt soudé qui renferme un contenu important de phases dures comme des carbures sera plus résistant à l’abrasion qu’un dépôt d’acier martensitique, ayant une macrodureté (Rockwell) plus élevée, mais qui renferme peu ou pas de carbures. La microdureté très élevée des carbures confère aux dépôts qui en contiennent suffisamment une excellente résistance à l’usure, même si la matrice qui les supporte est beaucoup moins dure. La protection contre l’usure offerte par les dépôts renforcés avec des carbures sera d’autant plus efficace que la microdureté de ceux-ci est supérieure à celle de l’abrasif. Le tableau 4-2 compare les duretés de certains minéraux à celles de micro-constituants d’alliage ferreux

Dilution

La dilution est une mesure exprimée en pourcentage qui évalue le contenu de métal de base dans un cordon de soudure. Pour joindre correctement deux plaques d’acier, il est primordial d’utiliser des paramètres qui permettent d’obtenir une pénétration suffisante du métal d’apport dans le métal de base. Dans ces conditions, les cordons obtenus présentent un taux de dilution important. À l’opposé, pour appliquer des alliages de rechargement dur, il faut éviter la dilution excessive du métal d’apport de façon à préserver les propriétés physiques, chimiques et mécaniques de celui-ci. Le taux de dilution obtenu en déposant un alliage de rechargement dur dépend du procédé (flamme, arc (SMAW, SAW, GMAW, FCAW, GTAW)), des paramètres de soudage utilisés et de la géométrie de la pièce sur laquelle le soudage doit être effectué.

Pour limiter la dilution, il est préférable :

• d’utiliser un courant et une tension de soudage de faible intensité tout en assurant une bonne fusion du métal de base (éviter le collage) ;
• d’utiliser la polarité DCEN lorsque c’est possible ;
• d’utiliser une longueur terminale élevée pour les fils fourrés ;
• de faire des petites passes pour éviter une surchauffe de la pièce ;
• de déposer deux couches d’alliage de rechargement pour optimiser les propriétés mécaniques ;
• de rebâtir avec une électrode dont la composition chimique est proche de celle de l’électrode de rechargement (ex : Sodel 325, Sodel 9250) ;
• et enfin, s’il n’est pas possible de diminuer la dilution et que l’épaisseur du dépôt doit se limiter à une passe, il est recommandé d’utiliser un alliage plus allié que celui qui a été prévu pour contrer l’effet de dilution (ex : Sodel 2045, Sodel 8246).

Les paramètres de soudage à utiliser pour faire une opération de rechargement dur doivent permettre d’obtenir un taux de dilution acceptable tout en maintenant le taux de déposition à un niveau adéquat selon l’ampleur de la tâche (volume de métal à déposer). Le choix judicieux du procédé de déposition en fonction de la géométrie de la pièce est aussi très important pour obtenir des dépôts de qualité.

Déposition d’une sous-couche

Lors d’une opération de rechargement dur, il est toujours préférable d’utiliser une sous-couche pour faire une transition entre le métal de base et le dépôt de rechargement dur. La sélection de l’alliage dont sera constituée la sous-couche dépend essentiellement des compositions chimiques du métal de base et de l’alliage de rechargement dur à déposer. Les aciers austénitiques au manganèse (ex : Sodel 324, 9240) et au chrome-manganèse (ex : Sodel 325, Sodel 9250), les aciers fortement alliés (ex : Sodel 336, 3333FCG) les aciers bainitiques (ex : Sodel 320, 9322) et certains alliages de nickel (ex : Sodel 3580) sont les alliages les plus fréquemment utilisés pour déposer une sous-couche. Le rôle de la sous-couche est multiple :

-Compatibilité : Une sous-couche peut servir à améliorer la compatibilité de l’alliage de rechargement dur avec le métal de base. L’incompatibilité peut être de nature chimique si certains constituants de l’alliage de rechargement dur réagissent avec le métal de base pour former des phases fragiles, ou de nature mécanique, s’il y a des écarts importants entre les coefficients d’expansion thermique du métal d’apport et du métal de base. Une sous-couche ductile pourra se déformer lors du refroidissement, ce qui diminuera le niveau de contraintes et la fissuration dans le dépôt soudé de rechargement dur.

-Support : Lors de la déposition d’un alliage de rechargement dur relativement peu tenace (comme ceux qui contiennent des carbures) sur un métal de base peu rigide (acier doux), une sous-couche résistante et tenace (ex : Sodel 325, Sodel 336, 3333FCG) empêchera l’affaissement et l’arrachement du dépôt si celui-ci est soumis à des fortes contraintes de compression.

-Zone tampon : La déposition d’alliages de rechargement dur entraîne souvent la formation de fissures de retrait. Une sous-couche ductile et tenace (ex : Sodel 336, 3333FCG) empêchera la propagation de celles-ci dans le métal de base.

Régimes et traitements thermiques

Le régime, c’est-à-dire la préchauffe et la température d’interpasse, dépend du métal de base, de sa susceptibilité à la fissuration, de son épaisseur, de sa condition et du niveau de bridage. Il est possible d’utiliser le même régime que pour l’assemblage de ces métaux avec, parfois, moins de rigueur lorsque la zone affectée thermiquement n’est sollicitée qu’en compression.

Les aciers austénitiques au manganèse et les dépôts de composition similaire (acier de type Hadfield, acier contenant 12% de Mn et plus), nécessitent un régime froid, 200ºC (400ºF) maximum et aucun traitement thermique post-soudage pour éviter la formation de carbures en bordure des grains. La formation de ces carbures peut entraîner la rupture de la zone affectée thermiquement et l’arrachement du rechargement dur.

Les aciers austénitiques du type chrome-manganèse peuvent supporter une température d’interpasse inférieure à 260ºC (500ºF) et ils ne doivent recevoir aucun traitement thermique post-soudage.

Les aciers inoxydables austénitiques sont plus stables et peuvent être détendus thermiquement mais il est préférable d’utiliser un régime froid pour limiter les déformations.

Pour certaines applications, lorsque les alliages de cobalt ne doivent pas présenter de fissures, le régime thermique est alors adapté au niveau de bridage et à la dureté du métal d’apport. Pour choisir adéquatement la température de préchauffe pour votre application, contacter le Service Technique Sodel.

Les structures martensitiques (ex : Sodel 20, Sodel 22, Sodel 221, Sodel 242, Sodel 245, Sodel 243, Sodel 8223, Sodel 8441) peuvent se déposer entre 20 et 400ºC (68 et 775ºF) selon la dureté du dépôt désirée, la dureté du métal de base et le niveau de bridage.

Les fontes au chrome et les alliages complexes (Sodel 2024Plus, Sodel 2023, Sodel 2045, Sodel 8210, Sodel 8240Plus, Sodel 8245Plus, Sodel 8259, Sodel 8268) ne fissurent pas avec une préchauffe de 400 à 700ºC (775 à 1’300ºF), selon la nuance et le bridage. Toutefois les fissures de retrait sont souhaitables pour ce type d’alliages car elles permettent de réduire les contraintes résiduelles dans le dépôt, ce qui minimise la possibilité d’arrachement de celui-ci. Il est préférable de faire des passes rapides en régime froid, 20 à 150ºC (68 à 300ºF), de façon à obtenir des fissures transversales à tous les centimètres environ (demis pouces). Les régimes intermédiaires sont moins favorables, car les fissures plus espacées et plus profondes risquent de se propager à l’intérieur du métal de base. De plus, les tensions de cisaillement à la base du dépôt augmentent le risque d’arrachement.

La résistance à l’usure des alliages de rechargement dur dépend beaucoup de la morphologie des phases présentes dans le dépôt. Pour obtenir des revêtements qui ont des propriétés homogènes, il est important de maintenir un régime constant, surtout lorsque la surface à couvrir est grande. Si la déposition des premiers cordons se fait sous régime froid et que les derniers cordons sont soudés sous régime beaucoup plus chaud, il faut s’attendre à obtenir des carbures beaucoup plus fins et plus orientés dans les premiers cordons. La finesse et l’orientation des phases dures ayant un effet sur la résistance à l’usure, le dépôt aura par conséquent des propriétés non uniformes.

Quel que soit le type de dépôt, l’absence de fissuration nécessite généralement le maintien du régime durant toute l’opération de soudage. Le refroidissement peut être ralenti à l’aide d’une couverture thermique. Parfois, un traitement thermique de relaxation ou de revenu est indispensable. Il doit être effectué immédiatement après le soudage ou après un refroidissement intermédiaire contrôlé jusqu’à la température nécessaire à l’achèvement d’une transformation martensitique.

Postchauffage

Lorsque la pièce est soumise à des sollicitations dynamiques en service, surtout en fatigue, la relaxation des contraintes est bénéfique, mais il faut faire attention pour ne pas abaisser la dureté du métal de base ou des dépôts martensitiques de façon excessive.

Sauf exception, le métal déposé présente, à l’état brut de dépôt, les propriétés requises pour l’application. Il est parfois nécessaire que la pièce soit durcie par traitement thermique pour assurer la résistance nécessaire aux endroits non rechargés. Cependant, au-delà de 40 HRC environ, il est difficile de recharger une pièce trempée et il est souvent nécessaire de déposer une sous-couche avec un acier fortement allié (ex : Sodel 333, Sodel 335, Sodel 336, Sodel 337) qui agit comme transition et limite les risques d’écaillage.

Mode d’application du revêtement

Il n’est pas toujours nécessaire de recharger complètement la surface soumise à l’usure. Parfois, il suffit d’appliquer l’alliage de rechargement selon un patron prédéterminé selon le mode d’usure. Par exemple, les dents d’un godet doivent être rechargées sur le côté qui est le plus exposé à l’usure par différents types d’abrasion, car lorsque les deux côtés d’une dent sont rechargés, elle s’use à partir de la pointe (voir figure 4-5).

Le sens de déposition des cordons dépend beaucoup de l’utilisation. Si le travail se fait en majeur partie dans le sable, les cordons sont déposés transversalement sur les dents et à l’intérieur du godet à environ tous les 25 mm (1 pouce) de distance. Dans la roche, les cordons doivent être placés longitudinalement, de manière à permettre le glissement des pierres le long du cordon. Pour être polyvalent, les cordons sont déposés diagonalement.

Pour minimiser la déformation et améliorer la résistance à l’impact, il est préférable de faire des points comme l’illustre la figure suivante.

Quantité de métal d’apport requise pour le rebâtissage et le rechargement dur

Pour déterminer le poids de métal d’ apport requis à déposer sur une pièce quelconque il faut :

1- Calculer le volume de métal à déposer en cm³. La formule mathématique à utiliser pour le calcul du volume dépend de la géométrie de la pièce à recharger. Consulter les informations incluses à la figure 4-8 pour choisir la formule appropriée. Lorsque la forme de la pièce est complexe, il faut subdiviser la pièce en différentes sections de forme simple et calculer le volume de chaque section puis additionner les résultats.

Ajouter un excédant à l’épaisseur du dépôt pour considérer la surépaisseur requise pour l’usinage ou le meulage.

2- Pour convertir le volume de métal à déposer en poids, il faut multiplier le volume calculé (en cm³) par la masse volumique (en g/cm³) du métal d’apport utilisé. Les différentes masses volumiques à utiliser en fonction de la nature de l’alliage de rechargement dur déposé sont regroupées au tableau 4-3. Le résultat obtenu sera exprimé en gramme. Pour l’exprimer en kilogramme (kg), il faudra diviser le résultat par 1000 alors que pour l’exprimer en livre, il faudra multiplier le résultat par 0,0022.

Il faut aussi tenir compte des pertes inhérentes au procédé de soudage utilisé. Pour ce faire, on suggère de diviser le poids calculé par un des facteurs suivants :

SMAW : 0,65

FCAW : 0,85

GMAW : 0,95

GTAW : 0,95

SAW : 0,95

4- Finalement, pour tenir compte de l’imprécision sur la masse volumique, sur l’efficacité et sur le calcul du volume, il est préférable de multiplier le résultat par un facteur de sécurité de 1,15.
En résumé :
P = V * ρ * F/ E

Tel que l’on peut le constater avec les formules mathématiques de la figure 4-8, le volume de métal à déposer se calcule souvent en multipliant la surface à recouvrir par l’épaisseur du dépôt. Pour simplifier, il est possible d’utiliser les données du tableau 4-3 pour évaluer le poids de métal à déposer à partir de la surface à recouvrir et de l’épaisseur du dépôt.

Tableau 4.3 : Masses volumiques et poids par unité de surface de différents alliages.

Pour calculer le poids de métal à déposer en se servant des données du tableau précédent, il faut tout d’abord évaluer la surface à recouvrir (avec les formules de la figure 4-8 ou par estimation), puis repérer sur le tableau 4-3 le poids par unité de surface correspondant au type d’alliage qui sera déposé et au procédé utilisé. Ensuite, en multipliant la surface à recouvrir avec l’épaisseur (en cm) et avec la valeur du tableau, on obtiendra un estimé du poids de métal à souder.
En résumé

2- Multiplier le volume trouvé par la masse volumique de l’acier au manganèse tel qu’indiqué au tableau 4-3.

203575,68 cm³ X 7,8 = 1587890 g ou 1587,89 kg de produit d’apport

3- Diviser par l’efficacité du procédé SMAW (Voir page 4-19)

1587,89 kg / 0,65 = 2442,90 kg

4-Multiplier par un facteur de sécurité de 1,15

2442,90 kg * 1.15 = 2809,34 kg

Conclusion :

Environ 2809,34 kg d’électrodes Sodel 324 seront utilisés pour le rechargement de cette pièce.
Avec la deuxième technique, on procéderait ainsi :

1- Calcul de la surface à recouvrir.
S = 2 π RL
2 X π X 60 cm X 180 cm =
2 X 3,1416 X 10800 cm² =
Surface à recouvrir = 67858,56 cm²
2- Identifier en fonction du métal d’apport et du procédé utilisé le poids par unité de surface du dépôt (voir tableau 4-3). Dans ce cas-ci, on obtient une valeur de 13.8 g/cm² qu’il faut multiplier avec la surface à recouvrir et avec l’épaisseur.

67858,56 X 13,8 X 3 = 2809344,38 g ou 2809,34 kg de produit d’apport

Conclusion : on arrive à la même consommation d’environ 2809,34 kg d’électrodes Sodel 325 avec cette technique de calcul. Pour estimer la consommation relative à un rechargement de 1 cm d’épaisseur au lieu de 3, il suffirait de remplacer le 3 par un 1 dans le calcul précédent.

Tableau 4-5 : Duretés approximatives de différents abrasifs et matériaux

CONSEILS PRATIQUES LORS DU REBÂTISSAGE ET DU RECHARGEMENT DUR

1- Bien identifier, le métal de base à souder (acier trempé, acier austénitique au manganèse, etc.).

2- Identifier les propriétés mécaniques recherchées selon l’utilisation.

3- Ne jamais présumer d’une propriété mécanique en se rapportant à une autre propriété mécanique. Un alliage peut avoir une dureté plus élevée par rapport à un autre et posséder une résistance à l’abrasion inférieure. Ne jamais oublier que c’est la microstructure qui joue le rôle le plus important pour la résistance à l’usure.

4- Pour déterminer rapidement la résistance d’un alliage à l’abrasion, la teneur en carbone est l’élément le plus important.

5- La concentration en chrome augmentera la résistance à la corrosion de l’alliage en général.

6- Pour une dureté très élevée et une résistance supérieure à l’abrasion, utiliser des électrodes contenant au moins 4% de carbone et 16% de chrome (ex : Sodel 2023, Sodel 2045 et Wirotek 8240Plus, Wirotek 8245Plus).

7- Le métal d’apport qui sert à faire le rechargement doit être compatible avec le métal de base ou la pièce à recharger. Par contre, il ne faut pas oublier que c’est l’alliage de rechargement qui permet d’obtenir les propriétés mécaniques que l’on recherche.

8- Ne pas faire plus de deux ou trois passes avec une électrode de rechargement, car les propriétés mécaniques peuvent augmenter dramatiquement et provoquer d’autres problèmes comme la fissuration, l’écaillage ou un manque de ductilité.

9- Toujours minimiser le plus possible la dilution avec le métal de base afin de conserver les propriétés mécaniques. Par contre, il faut toujours s’assurer de la bonne fusion du métal de base.

10- Pour aider à diminuer le taux de dilution, souder en polarité directe (CC- /CCEN) lorsque le produit le permet.

11- L’observation de la surface usée permet de juger du mécanisme d’usure. Consulter le Service Technique Sodel pour choisir le bon produit d’apport.

12- Les propriétés mécaniques d’un métal d’apport ne sont pas identiques en pratique et en théorie. Lors d’essais en laboratoire, le taux de dilution avec le métal de base est de 0%, il n’y a donc pas d’abaissement des propriétés par la dilution.

13-Lorsqu’il n’est pas possible d’éviter un haut taux de dilution (dépôt d’une passe seulement par exemple), compenser en utilisant de produits d’apport avec plus d’éléments d’alliage que nécessaire (ex : Sodel 2045, Sodel 8246).

14- Pour rebâtir un acier austénitique au manganèse, utiliser un acier au manganèse. Les aciers au manganèse peuvent être enlevés au chalumeau, contrairement aux aciers inoxydables qui ne peuvent être enlevés qu’à l’aide d’une électrode pour chanfreiner, telle que la Sodel 512PLUS.

15- Pour résister à l’abrasion par de fines particules ou aux températures élevées, les carbures de niobium, de titane, de vanadium et de tungstène sont supérieurs aux carbures de chrome (ex : Sodel 2023, Sodel 2045, 8228).

16- Une température de préchauffe et d’interpasse excessive provoque une baisse des propriétés mécaniques en plus de rendre plus difficile l’enlèvement du laitier.

17-Conserver un arc court lors du soudage à l’électrode enrobée pour avoir un meilleur transfert et diminuer les risques de porosité.

19- Pour le soudage des fils fourrés sans gaz (Wirotek), utiliser une longueur terminale élevée (40 à 75 mm (1,5 à 3 pouces)) pour améliorer la déposition.

20- Les passes larges peuvent affecter les propriétés mécaniques et les constituants de l’alliage à cause de la surchauffe exagérée qu’elles provoquent.

21-Il est généralement possible d’utiliser un gaz de protection de type 100%CO₂ ou 75% Ar – 25% CO₂ avec les fils fourrés pour soudage à arc découvert (Wirotek). Ceci peut réduire la quantité de projections mais il faut faire attention de ne pas surprotéger le bain de fusion et de créer ainsi des porosités.